كيف قمنا بدورة تدريب إنترنت الأشياء

إن السؤال عما يجب تضمينه في المناهج الدراسية عند بدء تصميم الدورة التدريبية هو سؤال غير تافه تمامًا. خاصة إذا كانت هذه دورة إنترنت الأشياء. نريد اليوم مشاركة خبرتنا ، وكيف طورنا البرنامج التدريبي لأكاديمية Samsung IoT ، والأهداف التي سعينا إليها وما قمنا به.

كان هدفنا الرئيسي مساعدة الجامعات على إثارة موضوع إنترنت الأشياء ، وفي المجالات التي يصعب على الجامعات القيام بها بمفردها. في الواقع ، أصبحت المشكلات الحالية في مجال إنترنت الأشياء ، بدءًا من المصطلحات غير الواضحة ، وغياب المعايير المشتركة و "حديقة الحيوانات" للمعدات ، وانتهاءً بغياب هذا الموضوع في مناهج الجامعات الروسية ، هي الأساس لصياغة المتطلبات:

1. يجب أن يلبي محتوى البرنامج احتياجات السوق الحديثة: دراسة الحالات الحقيقية لصناعة إنترنت الأشياء ، والمعايير المقبولة ، والمعدات الصناعية ، وأعمال التصميم ، وما إلى ذلك.
2. يجب أن يكون للبرنامج حد دخول كافٍ لمجموعة واسعة من طلاب تكنولوجيا المعلومات من التخصصات الفنية للجامعات التقنية ، أي أن يكون "برنامجًا تعليميًا" على إنترنت الأشياء.
3. يجب أن يؤدي البرنامج إلى إنشاء مختبرات في جامعات إنترنت الأشياء ، تعمل كقمع لاختيار الطلاب والمعلمين الذين يجدون أنفسهم في مجموعة كبيرة من تقنيات إنترنت الأشياء.

وهذا ما حصلنا عليه.

لمن هذه الدورة؟

نحن نركز على الطالب الذي يمتلك المهارات التالية عند المدخل:

• الممارسات الأساسية لهندسة البرمجيات: أسلوب البرمجة ، والتحكم في الإصدار ، والخبرة في التطوير الذاتي للمشاريع التعليمية أو الشخصية.
• إتقان لغة برمجة عالية المستوى (Python، C ++، Java).
• معرفة أساسيات برمجة الويب ولغة جافا سكريبت.
• القدرة على العمل في وحدة تحكم Linux.

كما ترون ، لا يوجد شيء معقد للغاية ، ونتوقع أنه بحلول الدورة 3-4 ، يكون الطالب قد أتقنهم بنجاح.

وبالطبع ، الشيء الرئيسي - يجب أن يكون لديه اهتمام بموضوع إنترنت الأشياء.

الحالات

قرروا تنظيم المواد في شكل خمس دراسات حالة. كل واحدة مأخوذة من الحياة الحقيقية. ولدت العديد من الحالات بفضل Oleg Artamonov ، الذي اقترح قصصًا حقيقية تستند إلى تجربته المهنية الفريدة.

ميزة مهمة لقضايانا: نحن نقدم بيانات مشكلة قريبة من كيفية تقديم عميل حقيقي لها. من المهام ، هناك انتقال إلى المهام ، على سبيل المثال:

• لدراسة نطاق أجهزة الاستشعار الموجودة ، لتحديد منها المعلمة جودة السعر المناسبة للمعلمة. انتبه إلى كيفية اختلاف التكلفة عن التكلفة والجديدة - من القديم والصيني - عن مستشعر Bosch.
• افحص الحلول الحالية ، ولاحظ اللحظات الناجحة وغير الناجحة. نقترح أين ننظر.
• اختر تقنية الاتصال المناسبة: كم عدد أجهزة التوجيه التي يجب عليك تثبيتها إذا اخترنا WiFi؟ كم عدد الوحدات التي ستحتاج إلى شرائها إذا اخترنا ZigBee؟ ما التغطية التي نحصل عليها مع LoRa؟ وهكذا دواليك.
• احسب مردودية الحل. قم بتقدير كم سيكلف في تكوينات مختلفة. من أين تشتري كل هذا؟ ما هو وقت التسليم؟

يقترح دراسة هذه القضايا استعدادا للدرس. أثناء المناقشة العامة في الفصل الدراسي التي يديرها المعلم ، يتفهم الطالب مزايا وعيوب الحلول المختلفة.

دعنا نذهب لفترة وجيزة من خلال الحالات:

الحالة 1: مزرعة و LoRa

بالنسبة للحالة الأولى ، أخذوا المؤامرة التالية: مراقبة درجة الحرارة والرطوبة في مستودع الأدوية. هذه مهمة حيوية: لا يمكن تجميد الأنسولين ، ولا يمكن أن تكون الأعشاب الطبية رطبة.

منذ البداية ، قررنا إعطاء الطلاب فرصة "الشعور" بشيء جديد لأنفسهم. وهذا الجديد ، الذي يتم تقديمه في الحالة الأولى ، هو تقنية LoRa اللاسلكية. بالنسبة لأولئك الذين سمعوا فقط عن BlueTooth و WiFi ، يبدو الأمر وكأنه خيال علمي:

• مسافة نقل البيانات عدة كيلومترات.
• العمل من بطارية واحدة - عدة سنوات.
• أبعاد جهاز الإرسال والاستقبال مصغرة.
• لا توجد رسوم شهرية للمشغل: تضع المحطة الأساسية الخاصة بك ، ويمكنك البدء في العمل.

لكن المعجزات لا تحدث ، وفي حالة LoRa ، نحصل على آثار جانبية يشعر بها الطلاب بمجرد بدء العمل بالمعدات:

• معدل نقل بيانات منخفض للغاية: ستشعر بالملل أثناء وصول الحزمة.
• كميات صغيرة جدًا من البيانات: قراءة وحدات البايت.

من المكونات ، يتلقى الطلاب وحدة تحكم متحكم ، وجهاز إرسال واستقبال LoRa وجهاز استشعار متكامل للرطوبة ودرجة الحرارة والضغط. تم تطوير البرامج الثابتة الحالية للوحدة النمطية القائمة على نظام التشغيل في الوقت الحقيقي RIOT OS بشكل كافٍ لفصل ما يحدث تمامًا على مستوى وحدة التحكم الدقيقة والسماح للطالب بالعمل فورًا مع البيانات على مستوى عال - مستوى كتابة برنامج التطبيق.


مكونات الحالة الأولى: متحكم + جهاز إرسال واستقبال ومحول ومستشعر

الحالة 2: القفل الإلكتروني و MQTT

المهمة التعليمية هنا هي نظام التحكم في الوصول والإدارة. ببساطة ، نقوم بعمل قفل يقوم ، عند قراءة مفتاح إلكتروني ، بإرسال البيانات إلى الخادم.



في إطار Case ، يتم عقد ورشة عمل مع بروتوكول MQTT المستخدم على نطاق واسع على إنترنت الأشياء - من خلاله يتم نقل البيانات الحسية ، وإجراءات التحكم وجميع المعلومات التي تربط عقد النظام.

ما هي المهام التي تساعد MQTT في حلها:

• فصل البيانات بشكل صحيح عن التطبيقات: بحيث يمكن لأي مبرمج إعادة استخدام جهازك مع برنامجه
• إقامة التواصل بلغة مشتركة بين الأجهزة غير المتجانسة من مختلف الصانعين.

لسوء الحظ ، لا يتم عادة دراسة MQTTs الجامعية. وهو مثير للاهتمام لأنه مبني على نموذج "الناشر / المشترك" ويقدم النموذج الذي يحركه الحدث ، والذي لا يمكن للطلاب رؤيته إلا في برمجة واجهة المستخدم الرسومية.

مكافأة صغيرة: في هذه المهمة ، يمكنك جذب هؤلاء الطلاب الذين "يسبحون" في موضوع الدوائر الكهربية. بعد كل شيء ، سيحتاجون هنا إلى تشغيل التتابع والتحكم في مصباح RGB من خلال ترانزستور.


متحكم مع وحدتين: الترانزستورات للتحكم في شريط RGB ووحدة زر

الحالة 3. الإضاءة المتكيفة و 6 LoWPAN

يعلم الجميع مهمة توفير الكهرباء: في فترة ما بعد الظهر ، عندما تكون الشمس مشرقة ، يكون الضوء خافتًا ، وعندما يحل الظلام في المساء ، اجعل الضوء أكثر سطوعًا.

كما كنت قد خمنت ، كل ذلك يعود إلى مهمة التنظيم التلقائي. فيما يلي مثال على رسم بياني: على المحور ص - الإضاءة في لوكس ، على المحور س - تركيب الوقت. يوضح الرسم البياني اللحظة التي تغير فيها الضوء المحيط ، وبدأ الجهاز في التكيف مع القيمة الجديدة:



هنا تمرين آخر لأولئك الذين يريدون تشديد الدوائر. سوف يتعلم الطلاب ما هو PWM (تعديل عرض النبض) وكيفية التحكم في سطوع لمبة LED.


في هذه العملية ، من لا يعرف كيف - إتقان مرسمة الذبذبات

نقترح توصيل كل جهاز في مثل هذه الشبكة من المصابيح الكهربائية وأجهزة الاستشعار باستخدام بروتوكول 6LoWPAN - وهو بروتوكول جديد آخر ، بخلاف LoRa ، يعمل بسرعة ، وله نطاق اتصال قصير ، ولكن يمكنه إنشاء شبكة شبكية. هذا البروتوكول مناسب جدًا لشبكات المنزل الذكي ، حيث تكون سرعة الاستجابة حاسمة والمسافة غير مبدئية.

وأخيرًا ، في هذه الحالة ، تم تقديم مفهوم آخر - الكمبيوتر الصغير كمحور مركزي لنظام إنترنت الأشياء. لن يقوم أحد بتثبيت جهاز كمبيوتر مكتبي حيث يكون أكثر إحكاما وأقل تكلفة لتثبيت كمبيوتر صغير مع لينكس. في حالتنا ، هذا كمبيوتر Artik مصنوع من قبل Samsung. يمكنك توصيل وحدة الاتصال لبروتوكولات LoRa أو 6LoWPAN التي تمت مناقشتها بها ثم استخدامها كخادم لنظامك. بالطبع ، سيحتاج الطلاب إلى المهارات في وحدة تحكم Linux.


لقد قمنا بضخ كمبيوتر Samsung Artik 10 - قدمناه بوحدة LoRa (في الصورة باللون الأبيض)

الحالة 4: سلة المهملات والسحابة

مؤامرة Case هي اقتصاد حضري ذكي. تخيل نظامًا يحسن طرق شاحنات القمامة حتى لا تدفعها عبثا. هنا نصنع جزءًا فقط من هذا النظام.

تأتي القضية لتتبع المعلمات التالية:

• سلة التفريغ ممتلئة - مع جهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية
• وجود حريق - باستخدام جهاز استشعار درجة الحرارة
• الموقع - باستخدام مستشعر GPS.

خريطة الإزاحة للجهاز المحاكي. في الواقع ، بالكاد يمكن لأي شخص التحرك حول موسكو بهذه السرعة.

في هذه الحالة ، نحن نتحدث عن منصة إنترنت الأشياء والخدمة السحابية كأحد مكوناتها. تعمل منصة إنترنت الأشياء على تسريع اختبار الحلول وتنفيذها.

لماذا تعد التقنيات السحابية مهمة؟ عندما يبدأ عدد الأجهزة على الشبكة في النمو بشكل كبير ، فإن تكلفة صيانة خوادمها تجبر الشركات على استخدام الخدمات السحابية. تجعل قدرات الخادم السحابي من الممكن استخدام طرق استخراج البيانات بنجاح. ولذلك ، فإن خططنا هي أن تضيف إلى الحالات المهام المعقدة المتعلقة باستخدام أساليب التعلم الآلي.

نحن نقدم للطلاب للعمل مع منصة Samsung Artik Cloud. هناك بالفعل مقال حول هذا الموضوع ، لذلك لن نكررها.

الحالة 5: الاحتباس الحراري وتطوير الفريق

وأخيرًا ، الحالة الأخيرة.

المؤامرة ، التي تعتبر في القضية ، هي دفيئة ، وهناك ما يكفي من المهام الفرعية: الري التلقائي ، دورات الإضاءة اليومية للنباتات ، واجهة المستخدم ، قطع الأشجار ، التآمر.


شاشة 2017 GUI Student School School

تم إتقان الأدوات الأساسية بالفعل ، ونحن نركز على تطوير الفريق. نرتب لعبة صغيرة يلعب فيها المعلم دور العميل ، ويلعب الطلاب دور فريق شركة تطوير صغيرة. يخبرك "العميل" برغباته في النظام ، ويجب على الطلاب وضع الاختصاصات بكفاءة ، وإبراز أهم العناصر وأكثرها إلحاحًا للوظيفة المطلوب تنفيذها ، وتوزيع المهام فيما بينهم ، واختيار مدير المشروع داخل المجموعة.

أردنا أن نظهر للطلاب الصعوبات في التواصل بين المطور والعميل. انغمس في موقف لا يمكن فيه للعميل شرح ما يريده ، ويحتاج المطور إلى سحب متطلبات المشروع.

كيف تسير الدورة

في خريف عام 2017 ، أطلقنا منهجنا في جامعتين - MIPT و MIREA. في النصف الأول من العام ، أكمل الطلاب الحالات ، والآن بدأوا العمل الفردي في مشاريعهم.

يتم توفير جميع المواد في نظام التدريب الإلكتروني. لقد قمنا بتصميم المصنفات الورقية للتحضير للفصول.



اشترك أكثر من 100 طالب في الدورة التدريبية. إحصائيات نتائج الفصل الأول - في الشكل. نقيم هذه النتيجة على أنها جيدة: الدورة كانت اختيارية ، لكن الطلاب حضروها ، على الرغم من عبء العمل في المنهج الرئيسي.



من المثير للاهتمام ، من بين أولئك الذين غادروا الدورة ، كانت الإجابات معاكسة تمامًا: قالوا إن الأمر صعب للغاية أو سهل للغاية!

يبدو أننا خمنا متوسط ​​مستوى الطلاب. لم نتوصل بعد إلى كيفية تخفيض مستوى الدخول إلى البرنامج بشكل صحيح ، ولكن بالنسبة للرجال الأقوياء قررنا تقديم هذا.

أقرب إلى الأجهزة

في البداية ، لم ندرج في الدورة البرمجة منخفضة المستوى للمتحكمات الدقيقة STM32 من مجموعة التدريب ، معتقدين أن الطلاب لن يتقنها في الوقت المخصص. كنا مخطئين! أثار الموضوع اهتمام حيوي.

ونتيجة لذلك ، في منتصف العام ، نظم معهد MIREA لتكنولوجيا المعلومات دورة إضافية من Oleg Artamonov "برمجة وحدات التحكم الدقيقة الحديثة". يبني أوليغ مساره من الأعلى إلى الأسفل ، أي يقترح دراسة الموضوع من خلال البرمجة لنظام التشغيل RIOT OS في الوقت الفعلي. على مواردنا يمكنك العثور على ملاحظات ومقاطع فيديو لمحاضراته.

وفي MIPT ، بدأ المعلمون والطلاب بإجراء دوراتهم الخاصة حول نفس الموضوع بأنفسهم. علاوة على ذلك ، ذهب معلمينا الصغار MIPT إلى أبعد من ذلك بكثير في مستوى التجريد: قبل العمل مع السجلات مباشرة. هنا مجموعة فكونتاكتي ومحاضراتهم على موقع يوتيوب.

تلخيصًا لخبراتهم ، سنكمل دورة أكاديمية إنترنت الأشياء الأساسية للعام الدراسي المقبل. بعد كل شيء ، لا يوجد شيء أجمل من حل المشكلة على مستوى عال ، ومن ثم على مستوى منخفض ، والشعور بالحرية في عالم التجريد.


(Null، Lobur - أساسيات تنظيم الكمبيوتر والهندسة المعمارية)

ما هي الخطوة التالية؟

كيف سنقيم نتائج البرنامج؟ بالطبع ، أولا وقبل كل شيء ، وفقا للمشاريع الفردية النهائية للخريجين. أولاً ، سيتم حماية المشاريع على المستوى الجامعي ، ومن ثم سننظم مسابقة بين الجامعات.

وفي سبتمبر 2018 ، سنطلق دورة محدثة في 10 جامعات عبر روسيا:

1. MIPT (موسكو)
2. MIREA (موسكو)
3. HSE (موسكو)
4. SPbSU (سانت بطرسبرغ)
5. NSTU (نوفوسيبيرسك)
6. UrFU (ايكاترينبرغ)
7. KFU (قازان)
8. SUSU (تشيليابينسك)
9. TUSUR (تومسك)
10. NEFU (ياكوتسك)

من الغريب أن الدورة التدريبية لدينا ، التي تعكس خصوصيات جامعة معينة ، تكتسب ميزات مميزة. على سبيل المثال:

• اختار TUSUR (Tomsk) أمن المعلومات باعتباره الاتجاه الأساسي لمختبر إنترنت الأشياء - نحن في انتظار الأعمال العلمية والتطبيقية المثيرة للاهتمام في هذا المجال الأكثر أهمية من إنترنت الأشياء!
• في جامعة ولاية جنوب الأورال (تشيليابينسك) ، تقرر تقديم الدورة كأساس للعديد من الكليات في وقت واحد - ما مجموعه أكثر من 500 طالب (!)
• في جامعة يورال الفيدرالية (يكاترينبورغ) ، تعد التخصصات المتعددة ذات أهمية كبيرة. فريق المعلمين: عالم رياضيات ، مهندس دائرة ، مبرمج ، اقتصادي ، مهندس راديو ، أخصائي أمن وأخصائي رؤية آلة!

تتمتع أكاديمية IoT من Samsung بسنة دراسية مكثفة ولكنها مثيرة للاهتمام في المستقبل.